A doktori értekezés tézisei A növényi NRP fehérjék lehetséges szerepe a hiszton defoszforiláció szabályozásában, és a hőstressz válaszban. Bíró Judit Témavezető: Dr. Fehér Attila Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Központ Növénybiológiai Intézet Funkcionális Sejtbiológia Csoport
Szegedi Tudományegyetem Biológia Doktori Iskola
Szeged 2013
BEVEZETÉS A hisztonok négy fajtája, a hiszton H2A, H2B, H3 és H4 egy oktamer (8 részből álló) egységet alkotva az alapját képezi a nukleoszómáknak. Erre tekeredik a DNS, minden egyes hiszton oktameren két csavarulatot alkotva. A sejtciklus S fázisában történő DNS replikáció során a hisztonok leválnak a kromoszómákról, hogy a leánysejtekben újraszerveződve ismét kromatinná alakuljanak a DNS molekulákkal. A hisztonok cserélődése, átszerveződése azonban nem csak mitózis alatt történik. Újonnan szintetizálódott hiszton variánsok épülnek be a kromatinba transzkripció, DNS javítás, és rekombináció során is. A hiszton chaperone-ok a hisztonokhoz kötődnek, és részt vesznek a kromatin folytonos újraszerveződésében, ezen kívül megakadályozzák az erősen pozitív töltésű hisztonok és az erősen negatív töltésű DNS spontán aggregációját. A hiszton H2A és H2B proteinek hiszton csaperone-ja a NAP1 (nucleosome assembly protein 1), amely segíti azok kromatinná csomagolódását mitózis során. A NAP1 fehérjékről kialakuló kép azt mutatja, hogy a hiszton H2A és H2B fehérjék nukleoszómába való beépülésén túl segítik azok sejtmagba történő szállítását, és szabályozzák a kromatinszerkezet aktív átalakulásait. Mindemellett a kromatinnal kölcsönhatva,
mint szövetspecifikus faktoroknak,
szerepük van a sejtosztódás és a génkifejeződés szabályozásában A NAP1 fehérjecsalád tagjai savas karakterű fehérjék. Mindegyikük tartalmaz egy konzervált központi NAP domént. Ezen kívül
2
hordoznak egy erősen savas C-terminális domént, és egy változó hosszúságú
N-terminális
kezdeti
szakaszt.
Élesztőben
(Saccharomyces cerevisiae) egyetlen NAP1 fehérje fordul elő. Ezzel szemben a többsejtű organizmusok számos NAP1, és NAP1-szerű fehérjével rendelkeznek. Növényekben a NAP1 fehérjéknek számos fajtája fordul elő, nem egy gén által kódoltak. A NAP1 fehérjék mellett a növények rendelkeznek a NAP1 fehérjével rokon, de külön filogenetikai csoportot alkotó fehérje csoporttal, az NRP-kkel (NAP1-related protein). Ezek a fehérjék erősen hasonlítanak a humán SET/I2PP2A fehérjére, amely szintén a NAP1 család tagja. A lúdfű NAP1 család tehát négy NAP1 fehérjét (NAP1;1, NAP1;2, NAP1;3, és NAP1;4), és két NAP1 rokon NRP fehérjét (NRP1 és NRP2) tartalmaz. A lúdfű NAP1-related protein 1 és 2 (NRP1 és NRP2) fontos szerepet játszik a sejtciklus szabályozásában és a gyökér merisztéma kialakulásában,
továbbá
valószínűsíthető
hiszton
chaperone
funkciójuk is. Az Arabidopsis nrp1-1 nrp2-1 dupla mutáns növények erősen érzékenyek genotoxikus stresszre, és károsult bennük a szomatikus homológ rekombináció jelensége. A Medicago sativa nrp génről pedig kimutatták, hogy magasabb szinten fejeződik ki 2,4diklórfenoxiecetsav hatására bekövetkező szomatikus embriogenezis során.
3
ALKALMAZOTT MÓDSZEREK • Növények és sejtkultúrák fenntartása, stressz kezelések • Lúdfű protoplasztok izolálása és transzformálása • Foszfatáz aktivitás mérések •Ko-immunoprecipitálás és kromatin immunoprecipitálás • Genetikai manipulációk, GATEWAY technológia • RNS izolálás, cDNS szintézis • Valós idejű polimeráz láncreakció (PCR) • Bakteriális fehérje expresszió és tisztítás, ellenanyag termelés • Növényi fehérjék tisztítása, immunoblot analízis, • Immunolokalizáció • Fluoreszcencia kiégetés (FLIP) • Pásztázó lézer konfokális mikroszkóp használata
CÉLKITŰZÉSEK Vizsgálataink célja az volt, hogy a lúdfű NRP1 fehérjét funkcionálisan jellemezzük. Meg kívántuk határozni a szerin/treonin foszfatáz
enzimekre
gyakorolt
hatását,
a
sejten
belüli
elhelyezkedését, a kölcsönható fehérjéket, a kifejeződésének paramétereit, és a túltermelődésének a hatásait, hogy ezáltal a sejtek életében betöltött szerepének megértéséhez közelebb kerüljünk. Mivel ecetmuslicában az At NRP proteinekkel nagyfokú homológiát mutató SET/I2PP2A szerepet játszik a hiszton H3 molekula
4
defoszforilálásában hősokk folyamán, mi is kíváncsiak voltunk, vajon kölcsönhat-e az At NRP1 a hiszton H3 molekulával, és befolyásolja-e annak defoszforilálódását. Ezzel kapcsolatban az At NRP1 hősokkban betöltött esetleges szerepét is tisztázni kívántuk. Hogy teljesebb képet kapjunk az NRP fehérjék szerepéről, néhány kísérletünkbe bevontuk a lucerna NRP fehérje vizsgálatát is. Célkitűzéseink között szerepelt az is, hogy az nrp1-1 nrp2-1 dupla mutáns, ill. az AtNRP1-et túltermelő lúdfű növényeket jellemezzük.
EREDMÉNYEK 1.
A tisztított lúdfű NRP1 fehérje és a tisztított M. sativa NRP fehérje szubsztrát-specifikusan gátolták a nyúl vázizomból preparált PP1 és PP2A enzimek katalitikus alegységeit.
2.
Az immunoprecipitált lúdfű PP2A defoszforilálta a tizedik szerin oldalláncon foszforilált hiszton H3 molekulát (hiszton H3(pSer10)), és ezt a reakciót a tisztított arabidopsis NRP1 (At NRP1) dózisfüggő módon gátolta.
3.
Az NRP fehérjék kölcsönhatnak a PP2A és a hiszton H3(pSer10) molekulákkal in vivo (ko-immunoprecipitálás).
4.
Az NRP fehérjék hiánya az nrp1-1 nrp2-1 lúdfű mutánsokban nem befolyásolta a hiszton H3(pSer10) általános mennyiségét.
5.
Kromatin immunprecipitálás során bebizonyosodott, hogy a hősokk-indukálta génexpresszió összefügg a kromatin hiszton H3(pSer10)-vel való feldúsulásával a hősokk gének promóter régiójában lúdfű növényekben.. 5
6.
Az NRP fehérjék ennek ellenére közvetlenül nem befolyásolják hősokk gének kifejeződését, tekintve hogy valós idejű PCR kísérletünkben nem találtunk különbséget a dupla mutáns és a vad típusú növények között az általunk vizsgált hősokk gének kifejeződésében.
7.
Immunolokalizáció, és immunoblot eredményeink tükrében elmondható, hogy: a.
Az At NRP1 fehérje a sejtmagban található
b.
Szobahőmérsékleten (25°C) a sejtmagban szolubilis formában van jelen, és kis méreténél fogva könnyen kijut a sejtmagból a sejtek feltárása során.
c.
45°C-on az At NRP1 erősen kötődik a sejtmagi fehérjékhez (a kromatinhoz?), ezért a sejtmagok izolálása során is a sejtmagban marad.
d.
Más típusú stresszkezelések, beleértve az alacsonyabb hőmérsékletű hősokkot (37 °C), só-, nehézfém-, és genotoxikus stresszt, nem okozták az At NRP1 immobilizálódását.
8.
Az At NRP1 túltermelése kismértékben megnövelte a növények túlélését magas hőmérsékletű (45°C) hősokk után.
9.
Az At NRP1 túltermelő növények nem mutattak sem eltérő fenotípust, sem eltérő hiszton H3(pSer10) szintet a null szegregáns növényekhez képest.
6
AZ EREDMÉNYEK MEGVITATÁSA Az NRP fehérjék humán homológja, a SET/I2PP2A ismert Protein Foszfatáz 2A (PP2A) gátló. Deléciós mutánsok segítségével kimutatták, hogy a PP2A-gátláshoz elengedhetetlen a SET/I2PP2A 25119-ig terjedő aminosav szekvenciája. Mivel ez a régió nagyfokú hasonlóságot mutat a lúdfű és lucerna növények azonos helyen lévő aminosav szekvenciájával, mi is megvizsgáltuk a növényi NRP fehérjék foszfatáz gátló tulajdonságát. Kísérleteinkben a két legfontosabb szerin/treonin foszfatáz, a PP1 és a PP2A aktivitását vizsgáltuk. Mindkét enzim számtalan folyamat irányítását végzi mind állati, mind növényi sejtekben. Eredményeink azt mutatták, hogy a lúdfű, és a lucerna NRP fehérjék in vitro gátolják az állati PP2A aktivitását. Az Arabidopsis thaliana NRP1 (At NRP1) ezen felül gátolja az immunoprecipitált lúdfű PP2A enzimet, és in vivo kölcsönhat vele. Mivel ecetmuslicában az At NRP proteinekkel nagyfokú homológiát mutató SET/I2PP2A szerepet játszik a hiszton H3 molekula defoszforilálásában hősokk folyamán, mi is kíváncsiak voltunk, vajon kölcsönhat-e az At NRP1 a hiszton H3 molekulával, és befolyásolja-e annak defoszforilálódását. Ezen kívül az At NRP1 hősokkban betöltött esetleges szerepét is tisztázni kívántuk. Kísérleteinkben mind a lúdfű, mind a lucerna NRP fehérjék nagy affinitással gátolták a hisztonok defoszforilációját in vitro, valamint in vivo kölcsönhatnak a hiszton H3 molekulával. Így valószínű, hogy a velük rokon NAP1 proteinekhez hasonlóan a növényi NRP
7
fehérjék is részt vesznek a kromatin átformálásával kapcsolatos folyamatokban. Állatokban a hiszton H3 tizedik szerinen történő foszforilálódása (hiszton H3(pSer10)) a transzkripció szabályozásával függ össze. Mivel ecetmuslicánál ezt a fajta hiszton modifikációt a hősokk gének átíródásakor tapasztalták, mi is a hősokk fehérjék (HSP, heat shock protein) kifejeződésének vizsgálatára koncentráltunk. Valós idejű polimeráz láncreakcióval vizsgáltuk hősokk gének kifejeződését, különbséget azonban nem találtunk a dupla mutáns nrp1-1 nrp2-1 és a vad típusú növények között az általunk vizsgált gének tekintetében. Kimutattuk azonban, hogy a hőindukálta génexpresszió a hiszton H3(pSer10)-et tartalmazó kromatinhoz kötődik. Ennek a fajta hisztonmodofikációnak a szerepét korábban még nem mutatták ki a hősokk közvetítette génkifejeződésben növényekben. Az NRP fehérjék állati homológja, a SET/I2PP2A egy multifunkciós fehérje, amely szerepet tölt be többek között a PP2A gátlásban, a transzkripció, a hiszton deacetiláció, az apoptózis, a DNS-metiláció, és a sejtosztódás szabályozásában. Ezen funkciók egy része a sejtmaghoz kötődik. Ennek megfelelően a SET/I2PP2A sejtmagi lokalizációt mutat, továbbá kimutatták, hogy a kromatinhoz kötődik. Ismereteink a növényi NRP fehérjékről korlátozottabbak, mégis úgy tűnik, hogy ezek a fehérjék is számos funkcióval bírnak. Befolyásolják a sejtosztódást, a géncsendesítést, és a DNS károsító ágensek iránti érzékenységet. Ezeknek a folyamatoknak a nagy része is sejtmagi lokalizációt igényel, ezzel egyetértésben mi is a sejtmagban mutattuk ki a 8
fluoreszcens
fehérjékkel
megjelölt
lúdfű
NRP
proteineket.
Eredményeink azonban azt mutatták, hogy standard körülmények között az At NRP1 a sejtmagban oldott állapotban van, és erősen mobilis. Ez teszi lehetővé azt, hogy a sejtek feltárása során könnyen kijut a sejtmagból. Azt is megfigyeltük, hogy magas hőmérsékleten végzett hősokk következtében az NRP fehérjék kötött formába kerülnek. Ez a kötődés stabilan fennmarad (kísérleti körülményeink között legalább 42 óráig), és alacsonyabb hőmérsékleten (37°C) történő stresszkezelés, valamint más típusú stresszkezelések (só, nehézfém, UV, és genotoxikus stressz) nem váltják ki. Hogy az NRP fehérjék szerepét jobban megértsük, kísérleteinkbe bevontunk nrp1-1 nrp2-1 dupla mutáns, és az At NRP1 fehérjét túltermelő lúdfű növényeket is. A dupla mutáns növényekben nem találtunk eltérő foszfohiszton H3 szintet, és eltérő génkifejeződést hősokk után a vad típusú növényekhez képest. Az At NRP1-et túltermelő vonal nem mutat semmilyen szemmel látható fenotípust. A dupla mutáns növényekhez hasonlóan eltérő hiszton H3 (pSer10) szintet sem tapasztaltunk bennük a kontroll növényekhez képest. Különböző módszerekkel megvizsgálva a növények túlélését azonban azt tapasztaltuk, hogy a túltermelő növények csekély mértékben jobban tűrik az erős hőkezelést a null szegregáns növényekhez képest. Hogy az NRP proteinek milyen folyamatot indítanak magas hőmérséklet hatására, még nem tudjuk. Izgalmas feladat lesz a jövőben feltárni a növényi NRP fehérjék szerepét ebben a sokrétű és szövevényes rendszerben, a hősokkválaszban.
9
KÖZLEMÉNYEK 1
Bíró, J., Farkas, I., Domoki, M., Otvös, K., Bottka, S., Dombrádi, V., & Fehér, A. (2012). The histone phosphatase inhibitory property of plant nucleosome assembly protein-related proteins (NRPs). Plant physiology and biochemistry: PPB / Société française de physiologie végétale, 52, 162–8.
Bíró, J (2008): Functional characterization of the plant SET protein: from phosphatase inhibition to heat stress tolerance. Acta Bilogica Szegediensis, Volume 52(2):333-356, 2008 Domoki, M., Györgyey, J., Bíró, J., Pasternak, T. P., Zvara, Á., Bottka, S., Puskás, L. G., et al. (2006). Identification and characterization of genes associated with the induction of embryogenic competence in leaf-protoplast-derived alfalfa cells. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Gene Structure and Expression, 1759(11–12), 543–551. Dorjgotov, D., Jurca, M. E., Fodor-Dunai, C., Szucs, A., Otvös, K., Klement, E., Bíró, J., et al. (2009). Plant Rho-type (Rop) GTPase-dependent activation of receptor-like cytoplasmic kinases in vitro. FEBS letters, 583(7), 1175–82.
1
Az értekezés alapjául szolgáló közlemény. 10
